東京理科大學(xué)的研究人員解決了鈉離子電池的（許多）挑戰(zhàn)之一，并發(fā)現(xiàn)了為什么相關(guān)材料如此有效。該材料是 β-NaMnO2，一種層狀錳氧化鈉，被提議作為鈉離子穿梭進(jìn)出的電極材料。

如果表現(xiàn)良好，β-NaMnO2 將具有 MnO2 的波紋平面，中間夾有鈉原子（上圖）。

不幸的是，據(jù)該大學(xué)稱，合成材料通常需要的高溫通常會(huì)導(dǎo)致鈉缺乏。

相反，糾正這些缺陷的嘗試會(huì)導(dǎo)致晶體 b-c 平面零星滑動(dòng)，從而產(chǎn)生所謂的“堆疊故障”（上圖）。

這些不會(huì)保持固定，如果在鈉離子電池中使用 β-NaMnO2，反而會(huì)變得越來越糟糕。

該大學(xué)表示：“由堆疊含故障的 β-NaMnO2 制成的電極在充放電循環(huán)期間容量嚴(yán)重降低，限制了其實(shí)際應(yīng)用。

最重要的是，這些堆疊故障阻礙了對(duì)這種錳氧化鈉的基本固態(tài)化學(xué)研究，因?yàn)樗鼈冏璧K了某些分析技術(shù)。

該大學(xué)駒場(chǎng)真一教授領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)此前曾表明，用銅原子取代一些錳原子可以通過輕微的尺寸差異穩(wěn)定β-NaMnO2。

然后，它開始研究銅摻雜是否可以消除堆疊故障。

第二個(gè)項(xiàng)目的結(jié)果剛剛公布，結(jié)果表明，銅摻雜不僅可以首先阻止堆疊故障的形成，還可以在許多充電循環(huán)中阻止它們。

駒場(chǎng)的科學(xué)家系統(tǒng)地?fù)诫s了不同數(shù)量的銅，并使用同步加速器 X 射線衍射表明，用銅替換 5% 的錳原子留下了 4.4% 的堆疊故障評(píng)分，該大學(xué)表示，12% 的銅將其降至 0.3%，15% 的銅意味著 ~0 個(gè)堆疊故障，“表明隨著銅摻雜的增加，明顯抑制了堆疊故障”。

在電化學(xué)半電池中的評(píng)估表明，對(duì)于未摻雜的 β-NaMnO2，在 30 次充放電循環(huán)內(nèi)快速存儲(chǔ)容量損失，并且在 12% 銅的 150 次循環(huán)中沒有容量損失。

“這些結(jié)果表明，當(dāng)消除堆疊故障時(shí)，層狀 NaMnO2 的 β 相本質(zhì)上是穩(wěn)定的，”該大學(xué)說。

在沒有堆疊故障進(jìn)行破壞分析的情況下，該團(tuán)隊(duì)還首次能夠深入研究固態(tài)化學(xué)，以找出鈉離子進(jìn)入和離開未腐蝕晶體時(shí)會(huì)發(fā)生什么。

X 射線衍射加上理論密度函數(shù)計(jì)算表明，當(dāng)鈉離子進(jìn)出時(shí)，MnO2 層可以相互滑動(dòng)（上圖），這受到堆疊斷層的抑制。

“我們的研究結(jié)果證實(shí)，錳基氧化物是開發(fā)耐用鈉離子電池的一種有前途的解決方案，”駒場(chǎng)說。

研究結(jié)果已發(fā)表在《先進(jìn)材料》雜志上，題為“疊層無故障 β-NaMnO2 的合成和電化學(xué)”